·应用研究：
两轮同轴机器人的自平衡控制研究
王建俊
（山东大学机械工程学院
山东济南
250061)
数字技术与应用
【摘要]研究了一种挖制两轮同轴机器人平衡的新方法。通过改良两轮机器人的总体机械结构，将整个机器人的重心降到轮轴高
强耦合和绝对不稳定的特点，利用ARMStm32系列单片机实现控制，陀螺仅EWTS86和双轴加速度传感器ADXL330相结合提供一个惯性基准，感知两轮同轴机器人位姿和领角，进行平衡协调，通过PID调节和卡尔受战波，实现机器人轮子转速控制和平衡杆
的平衡控制的有机统
[关键词]两轮同轴机器人[中图分类号]TK421
PID调节
[文献标识码]A
1引言
目前现有的机器人或短距离运输工具都以四轮传动机构作为动力系统，其劣势在于系统的占地面积较大，行动不够灵活。面两轮同轴机器人以两轮同轴直立移动，减小了占地面积，可以实现零半径转弯的动，移动灵活，两轮同轴机器人占地面积小，为狭小危险空间下进行数据采集或现场勘测提供了有利条件。
两轮同轴机器人是一种特殊轮式移动机器人，其动力学方程是一多变量。严重不稳定、揭合、时变、参数不确定的非线性高阶方程[1]，加上运动学方程中的非完整性约束，要求完成的控制任务也具有多重性。因此这类系统对控制理论提出了很大的挑战，是检验各种控制方法处理能力的典型装置。两轮同轴机器人作为创立摆实验平台的实例化模型，为不确定性系统控制、非线性系统控制、自适应控制、智能控制等研究提供了方使。
两轮同轴机器人在静止状态下不能稳定平衡，若要其移动必须采用动态平衡2)。机器人在平衡点处的平衡是一个不断选行平衡调节的动恋平衡。
围1
两轮同轴机器人实体结构
万方数据
[文章编号]10079416（2010）07010502
2系统总体方案
通过改良两轮机器人的总体机械结将整个机器人的重心降到轮轴高度下
构，
方或者维特在通过轮轴的垂直平面内，在轮轴下方外加平衡摆杆以调节机器人重心，使之平衡，解决两轮自平衡机器人非线性、强耦合和绝对不稳定的特点，减少控制部件。利用ARMStm32系列单片机实现控制，陀螺仪（EWTS86）和双轴加速度传感器(ADXL330)相结合组成姿态传感器，感知两轮间轴机器人位姿和倾角，检测机器人的倾角和水平平面中的两轴加速度，单片机通过AD采集，经过解算，通过PID调节和卡尔受滤波，改变步进电机输人端PWM占空比调整轮速并控制平衡杆的摆动，实现机器人轮子转速挖制和平衡杆的平衡控制的有机统一，简化控制逐
两轮同轴机器人实体结构如图1所示， 3系统硬件设计
微处理器选用ARM公司Cortex-M3 内核Stm32系列高性能，低成本，低功耗的16位单片机，全新STM32互连型系列微控制器增加一个全速USB（OTG）接口，
图2平衡状态
使终端产品在连接另一个USB设备时既可以充当USB主机又可充当USB从机，还增加－个硬件支持IEEE1588精确时间协议(PTP)的以太网接口，用硬件实现这个协议可降低CPU开销，提高实时应用和联网设备同步通信的响应速度。加速度计选用采用AD公司生产的线性PWM输出加速度传感器ADXL330，ADXL330利用微传感器感知三维的加速度，将得到的三维交流信号放大，然后分别将信号解调，在输出端分别将三路信号再次放大、滤波后输出和加速度成正比的模拟电压，通过对 ADXL330输出脉宽的测量精确检测车体水率加速度，ADXL330尺寸小，对两轮机器人的重心产生的影响可以忽略。
4建模分析和平衡控制机理
两轮司轴机器人的控制力只有电机带动两个轮的馨动力，系统运动包括水平面系统所处位置的中间体的空间姿态，因此自由度为3，挖制量少于运动自由度，属于欠驱动系统。模型的建立和求解问题是平衡控制的理论基础。两轮同轴机器人平衡状态和倾料状急如图2、图3。
式中变量说明：m两轮同轴机器人质
0
图3倾斜状态
数字技术与应用
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